La propagation des ondes radio HF

par **14RC126** Dim 19 Mar - 22:54

[size=36]La propagation des ondes radio HF sur de longues distances grâce à l'ionosphère[/size]

La propagation des ondes radio HF, au-delà de l'horizon, est favorisée par les couches ionisées de l'ionosphère qui constituent, en quelque sorte, nos "bottes de sept lieux" ! Ces couches redirigent vers la terre une bonne partie de nos ondes radio (HF) qui, autrement, iraient se perdre inutilement dans l'espace, sans jamais atteindre d'autres radioamateurs !

Nous verrons plus loin que la couche dite 'F2' est la plus utile pour les radioamateurs.

Comment fonctionne la propagation des ondes radio HF

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Comme démontre le croquis hautement simplifié ci-dessus, le faisceau HF 'C' est redirigé vers la terre par la couche ionisée. Ce faisceau rebondira sur la terre au point '1' puis sera redirigé ('C1') vers l'ionosphère qui le redirigera à nouveau vers la terre et rebondira au point '2', deviendra 'C2'... et ainsi de suite... jusqu'à ce qu'il ait perdu toute son énergie après de multiples rebonds.

Les faisceaux qui n'atteignent pas la couche ionisée avec un angle d'attaque optimal iront se perdre dans l'espace. C'est le cas des faisceaux 'A' et 'B'.

Notez que le faisceau 'D' ne touchera pas le sol après avoir été redirigé une première fois par la couche ionisée. Ce faisceau atteindra éventuellement la couche ionisée à nouveau, mais beaucoup plus loin. Éventuellement, il finira par être redirigé vers le sol... mais il aura vraisemblablement perdu beaucoup de son énergie RF initiale.

par **14RC126** Dim 19 Mar - 22:57

L'ionisation de la partie supérieure de notre atmosphère terrestre est provoquée par les rayons ultraviolets du soleil qui entrent en collision avec les molécules d'hydrogène et d'hélium qui s'y trouvent en petit nombre. Ces collisions détachent des électrons de ces molécules gazeuses.

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Il en résulte des ions positifs d'hydrogène et d'hélium, ainsi que des électrons libres à charge négative, qui se regroupent en strates (couches) plus ou moins distinctes au-dessus de nos têtes.

Cependant, l'ionosphère ne se peuple de couches ionisées que si le soleil est "actif". Tout va bien pendant la phase "active" du cycle solaire qui est d'environ 9-10 ans sur une durée moyenne de 11 ans.

par **14RC126** Dim 19 Mar - 23:00

Mais, pendant les quelques années de relative inactivité qui surviennent vers la fin d'un cycle, avant que ne débute le cycle suivant... les couches ionisées sont ténues, sinon carrément inexistantes pendant de nombreux mois ! Vous pourrez obtenir plus de détails sur le cycle solaire ici :

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Les couches ionisées et la propagation des ondes radio HF

La couche ionisée 'D'

C'est la plus basse de couches ionisées. Elle se situe entre 60 et 100 km au-dessus du sol. Le jour, sous l'action des rayons UV émanant du soleil, cette couche forme une véritable barrière à la propagation des ondes radio dans les bandes de fréquences du 160 mètres, 80 mètres et 40 mètres. Les fréquences radio au-delà de 10 MHz arrivent néanmoins à passer au travers.
Plus la fréquence radio augmente, moins grande sera l'atténuation des signaux qui réussiront, ainsi, à se frayer un chemin pour atteindre les couches ionisées supérieures.
La couche 'D' disparait dès que la nuit tombe. Les signaux des bandes de fréquence du 160 mètres et du 80 mètres peuvent alors atteindre la couche 'F' et, ainsi, se propager sur des milliers de kilomètres.

La couche ionisée 'E'

La couche 'E' se situe entre 90 et 150 km d'altitude, mais la tranche utile à la propagation des ondes radio HF se situe plutôt entre 95 et 120 km d'altitude. Le jour, en principe, la couche 'E' pourrait servir à rediriger vers la terre les signaux de 5 à 20 MHz.
Mais, en réalité, le jour, la couche 'D' absorbe la majeure partie de ces fréquences radio bien avant qu'elles ne l'atteignent. Seuls les signaux 7, 10 et 14 MHz, émis presque à la verticale, parviendront à atteindre la couche 'E' avec une intensité suffisante pour être déviés vers la terre et permettre d'atteindre des distances jusqu'à 1200 km.
Les périodes à l'aube et au crépuscule seront les plus propices pour tirer profit de cette couche. La nuit, la couche 'E' se dissipe presque complètement, mais demeure néanmoins très utile à la propagation des fréquences du 160 mètres (1800-2000 kHz).

La couche 'E sporadique' (ou Es)

Par ailleurs, des "nuages" ionisés furtifs se forment à l'occasion dans la couche 'E'. Ils ne servent cependant à peu près jamais à la propagation des fréquences HF. Ce n'est qu'à de rares occasions que ces "nuages" seront assez denses pour rediriger vers la terre des faisceaux de signaux à des fréquences parfois aussi basses que 21 MHz.
Cette propagation, dite 'E sporadique' (ou Es), est néanmoins très utile aux fréquences radio supérieures à 28 MHz. Nous y faisons référence sur une autre page, de notre site, portant sur la propagation THF (VHF) de la bande de fréquences radio du six mètres (50 MHz)

La couche ionisée 'F1'

Cette couche peut souvent favoriser la propagation des signaux du 30 m (10 MHz) et 20 m (14 MHz) le jour, en été. En dehors de cette période, son rôle en propagation RF du spectre d'ondes HF est plutôt négligeable.

La couche ionisée 'F2'

C'est la plus importante couche ionisée en ce qui concerne la propagation des ondes HF.

Elle se forme, le jour, entre 250 et 400 km d'altitude et persiste la nuit.
Elle est rarement totalement absente durant l'année.
Cependant, lorsque le cycle solaire atteint son minimum d'activité, la couche 'F2' peut disparaitre pendant quelques jours !

La couche 'F2' est présente pendant la majeure partie du cycle solaire.

Au maximum d'intensité du cycle solaire, la couche 'F2' sera à son plus dense. Elle pourra alors rediriger vers la terre les signaux HF de 7 MHz à 30 MHz jusqu'à 4000 km de leur point d'origine et, de là, rebondir vers la F2 et être déviée à nouveau vers la terre... pouvant, parfois, à la suite de rebonds successifs, faire le tour de la terre et revenir de l'arrière au point d'origine !

La propagation des ondes radio HF :
un sujet complexe

Ce qui précède n'est qu'un très bref résumé du rôle que jouent les couches ionisées de l’ionosphère sur la propagation des ondes radio HF. Beaucoup d'ouvrages scientifiques leur ont été consacrés… et les recherches scientifiques se poursuivent.

par **14RC126** Lun 29 Mai - 14:45

[size=32]LES MODES DE PROPAGATION[/size]

Les ondes radio peuvent être propagées d'une antenne d'émission à une antenne de réception de diverses manières: en suivant la courbure du sol, en travers de l'atmosphère, ou par réflexion au moyen de réflecteurs naturels ou artificiels, et ce, en fonction de leur fréquence. On distingue:

• les ondes de sol,
• les ondes directes,
• la transmission par réflexion ionosphérique,
• les ondes réfléchies par diffraction troposphérique.
[size=32]ATMOSPHÈRE[/size]

L’atmosphère qui nous enveloppe est une masse de gaz considérable. On a l’habitude de la diviser en trois parties :

- La troposphère : partie de l’atmosphère terrestre située entre la surface du globe et une altitude d’environ 8 à 15 Km. Cette couche atmosphérique contient 90% de la masse totale de l'atmosphère, elle est importante car on y trouve l'air qu'on respire.

- La stratosphère est la seconde couche de l’atmosphère. Elle se situe à une altitude comprise entre 10 et 50 Km

L’ionosphère est une région de l'atmosphère située entre 60 et 800 km d'altitude. Elle est constituée de gaz fortement ionisé à très faible pression (entre 2.10^-2 mb et 1.10^-8 mb) et à haute température (-20 à +1000°C).

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[size=32]LES ONDES DE SURFACE[/size]

Ne concernant que les ondes ayant une fréquence inférieure à 3MHz, elles se propagent simultanément dans les basses couches atmosphériques et dans le sol, la propagation de l'onde dépend alors des caractéristiques du sol : suivant leur fréquence, elles peuvent subir une absorption dans certains milieux ou ne pas pouvoir se propager du tout. (Une fréquence inférieure à 10kHz permet des liaisons souterraines ou sous-marines).

L'onde de sol suit la courbure de la terre. La portée dépend de la nature du sol rencontré, de la fréquence et, bien sûr, de la puissance de l'émission.

Une partie de l'énergie de l'onde de surface est absorbée par le sol et y provoque des courants induits.

La conductivité du sol influe sur la portée des ondes de surface: la portée est beaucoup plus grande en mer qu’en terrain aride.

La présence de la terre cause des pertes qui dépendent du relief, de sa nature et du degré d'humidité.

À certaines fréquences, les ondes se propagent surtout à la surface du sol. C'est le cas, par exemple, des ondes transmises par les stations publiques AM qui ne peuvent être entendues, malgré leur grande puissance, à plus de 150 Km.

Les ondes de sol voyagent de trois façons: en ligne droite, par réflexion au sol, ou en longeant la surface du sol

Fig. [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]. Propagation des ondes de sol.

L'intensité des ondes de sol dépend de la fréquence, de la puissance de l'émetteur, des caractéristiques de l'antenne à l'émetteur et des qualités électriques du sol. Quand les fréquences d'émission sont relativement basses, la plus grande partie de l'énergie émise est contenue dans l'onde de sol.

Puisque la terre est un mauvais conducteur, l'onde de sol s'atténue très vite et n'est pas efficace pour la transmission sur de grandes distances, à moins d'y mettre la puissance nécessaire.

[size=32]LA TRANSMISSION PAR RÉFLEXION IONOSPHÉRIQUE[/size]

Les ondes ayant une fréquence comprise entre 3 MHz et 30MHz sont réfléchies par l'ionosphère.

Les conditions de propagations sont d'une grande variabilité tant temporelle que spatiale, on trouvera des zones de dispersion (l'onde se divise en plusieurs ondes similaires), de silence (zone au sol ne réceptionnant aucune onde), de fading (diminution temporaire de l'intensité de l'onde). S'il y a des réflexions multiples entre couches ou avec le sol, la distance atteinte peut être très importante

Les rayons ultraviolets du soleil transforment les molécules d'oxygène et d'azote en ions et électrons (fig. [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]).

Fig. [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]. L'action du soleil sur les diverses couches ionosphériques.

Ainsi se forment dans l'atmosphère des couches ionisées qui se comportent comme un miroir par rapport aux ondes de haute fréquence (HF) qui les atteignent: elles sont réfléchies vers la terre.

L'ionosphère se subdivise en sous-couches d'altitudes différentes (fig. [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]):

• la couche D,

• la couche E,

• la couche F1,

• la couche F2.

La hauteur de ces couches varie avec le temps de la journée (jour ou nuit) et avec la position du soleil par rapport à la terre. La nuit, les couches D et E disparaissent alors que les couches F1 et F2 se fondent en une seule (la couche F) tout en s'abaissant vers la terre.

Lorsqu'un signal radio est émis en sa direction, l'ionosphère sert de miroir et retourne le signal vers la terre souvent à des distances très éloignées du départ.

Fig. [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]. Les couches ionosphériques de jour et de nuit.

Une double réflexion peut même avoir lieu dans certains cas, comme le montre la figure [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien], ce qui augmente considérablement la portée des ondes.

Fig. [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]. Réflexion ionosphérique des ondes:

(A) Réflexion simple.

(B) Réflexion double.

La propagation des ondes par l'ionosphère est particulièrement intéressante pour les radioamateurs qui veulent communiquer avec le monde entier. Ce mode de propagation est utilisé surtout pour les hautes fréquences (HF) allant de 3 à 30 MHz.

[size=32]LA COUCHE D[/size]

La couche D est la plus basse et se situe à une hauteur moyenne de 70 kilomètres et a une épaisseur de 10 kilomètres environ; le degré d'ionisation dépend de l'activité solaire, ce qui fait que cette couche est pratiquement inexistante la nuit. Cette couche réfléchit certaines ondes VLF et LF mais laisse passer d'une façon atténuée les ondes HF.

[size=32]LA COUCHE E[/size]

Les limites de la couche E se situent entre 80 et 140 kilomètres environ. Cette couche, plus imperméable que la précédente, ne laisse passer que des ondes dont la fréquence est supérieure à 25 MHz et, comme la couche D, disparaît pratiquement la nuit. Elle réfléchit les ondes HF durant le jour et permet une portée d'émissions de près de 1000 kilomètres.

[size=32]LA COUCHE F1[/size]

La couche F1, d'une épaisseur de 20 kilomètres, se recombine avec la couche F2 la nuit. Elle réfléchit certaines ondes HF.

[size=32]LA COUCHE F2[/size]

La couche F2 est la couche la plus réfléchissante et persiste la nuit; elle permet les transmissions éloignées en HF surtout.

Bien entendu, la séparation entre les différentes couches que nous venons de décrire n'est pas bien nette, vu la dépendance du degré d'ionisation en fonction de l'heure de la journée ou de la nuit, ou même des saisons. Il ne s'agit que d'une approximation visant à schématiser le processus de propagation par réflexion ionosphérique.

[size=32]RAYONNEMENT PAR LA TROPOSPHÈRE[/size]

Dans la troposphère (en-dessous de 10 km), les ondes sont déviées vers la terre, à cause de la variation graduelle de l'indice de réfraction.

Ce phénomène permet aux ondes de se propager plus loin que ne le permet la courbure de la terre, bien que les pertes soient très élevées, surtout aux basses fréquences.

Si les pertes sont plus faibles aux fréquence élevées, des distorsions de phase et d'amplitude se manifestent.

Les communications par réflexion troposphérique prennent de plus en plus d'importance dans les fréquences UHF.

À cause de changements dus à la présence adjacente de masses d'air à des températures et des degrés d'humidité différents, les ondes radio sont réfractées ou réfléchies souvent plus d'une fois avant de retomber dans diverses directions vers le sol.

De nombreux inconvénients résultent de ce mode de propagation dont le principal est l'évanouissement des ondes.

Ainsi, à cause des conditions atmosphériques variables, les diverses voies de propagation aboutissent au récepteur avec un décalage et une perte de puissance.

[size=32]ONDES RÉFRACTÉES[/size]

Tout comme la lumière, les ondes radio peuvent être réfractées ou transmises à angle lorsqu'elles passent d'un médium à un autre ayant une densité différente. Par exemple, les ondes radio peuvent traverser diverses couches de l'atmosphère à densités différentes et être réfractées vers des endroits inhabituels.

[size=32]DISTANCE D'UN SAUT[/size]

C'est la distance entre le signal transmis via l'ionosphère et le point de chute de ce signal sur la terre (fig. [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]).

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Fig. [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]. La distance d'un saut et les zones de silence.

PROPAGATION PAR ONDES MULTIPLES

En radiocommunications, plusieurs sauts successifs peuvent être utilisés pour communiquer avec l'autre face de la terre. Quatre facteurs peuvent déterminer la distance entre les sauts:

• l'angle de l'onde qui entre dans l'ionosphère,

• la densité de l'ionosphère,

• la hauteur de l'ionosphère,

• la fréquence du signal.

[size=32]LA ZONE DE SILENCE[/size]

La zone de silence est la distance entre l'extrémité de l'onde de sol et le point où la première onde réfractée retourne sur la terre. L'onde de sol n'est efficace que sur des distances très limitées.

Par conséquent, il existe une zone entre la limite d'efficacité de l'onde de sol et le point où la première onde ionosphérique est réfractée vers la terre.

Cette région où aucun signal radio n'est reçu s'appelle ZONE DE SILENCE

[size=32]L'ANGLE D'INCLINAISON[/size]

C'est l'angle de l'onde qui entre dans l'ionosphère. L'angle exact d'inclinaison permet d'obtenir plusieurs rebondissements.

[size=32]LA FRÉQUENCE CRITIQUE[/size]

Aux basses fréquences, l'énergie RF s'élève à angle droit de la terre vers l'ionosphère et revient vers la terre.

Mais lorsque la fréquence est plus élevée, elle atteint un angle limite: c'est le point où l'onde ne peut revenir vers la terre et continue sa course dans l'espace pour devenir une onde perdue. L'atteinte de ce point porte le nom de fréquence critique.

On définit la "fréquence critique" comme étant la plus haute fréquence de l'onde réfléchie jusqu'à la surface de la terre.

[size=32]LA FRÉQUENCE MAXIMALE UTILISABLE[/size]

Ce terme indique la fréquence la plus haute que l'on peut employer pour communiquer entre deux points de la terre via l'ionosphère.

[size=32]L'ÉVANOUISSEMENT DE L'ONDE[/size]

L'évanouissement d'une onde (disparition plus ou moins rapide d'une onde) peut être causée par des éruptions solaire, par des changements de température et d'humidité, etc.

On notera aussi qu'en opérant des stations maritimes, l'eau salée annule quelquefois les communications à vue et d'autres fois, elle les double.

[size=32]LES TACHES SOLAIRES AFFECTENT L'IONOSPHÈRE[/size]

La présence des taches sur la surface du soleil a une grande influence sur les radiocommunications. Ces taches se groupent quelquefois pour atteindre un diamètre d'environ 150,000 Kilomètres.

Les taches sont des tempêtes solaires qui peuvent se développer en quelques heures et persister quelques semaines pour ensuite se désagréger en plusieurs petites taches. Sur terre, l'apparition de taches solaires occasionne une intensification et divers changements du champ magnétique.

Les taches solaires affectent l'intensité du rayonnement solaire, non pas en obscurcissant le soleil comme on pourrait le croire, mais en augmentant son rayonnement et en produisant une ionisation plus grande de l'ionosphère.

À intervalles de 11 ans, le nombre maximal de taches solaires passe d'environ 60 à 200. Le nombre minimal de taches solaires pour ce même intervalle est presque nul, c'est-à-dire qu'à certains moments on ne voit pas de taches à la surface du soleil.

Lorsqu'on dit que les taches solaires augmentent l'ionisation de l'ionosphère, on affirme par le fait même que la propagation des ondes est meilleure. C'est alors que les bande de 10 m, 11 m (CB), 15 m et 20 m fourmillent d'activité.

Les derniers cycles où il y a eu le maximum de taches solaires furent les années 1969, 1979 et 1990.

[size=32]LES ONDES DIRECTES[/size]

Les ondes dont la fréquence est supérieure à 30MHz t être transmises directement de l'émetteur au récepteur selon leurs situations géographique

Les ondes peuvent aussi se propager directement dans l'espace à condition qu'il y ait portée optique entre les antennes d'émission et de réception (fig. [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]).

Fig. [Vous devez être inscrit et connecté pour voir ce lien]. L'onde directe et l'onde réfractée.

Les ondes se propagent en ligne droite et nécessitent donc une ligne de vue entre l'antenne d'émission et l'antenne de réception. La surface de la terre n'étant pas plane, la portée de telles ondes est limitée.

On remédie à cet inconvénient en se servant d'antennes aussi hautes que possible, ou d'antennes intermédiaires comme des répéteurs ou des satellites.

Cette méthode de propagation est employée par les radioamateurs à partir des très hautes fréquences (VHF), soit pour la bande de 2 mètres, la bande de 70 cm ou pour les communications par satellites.

La propagation d'ondes directes se fait généralement en ligne droite. Mais un changement brusque de conditions atmosphériques produit souvent des inversions de température et permet des communications à des distances très grandes.

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